梯形变截面梁蟹腿加速度计系统设计

结合蟹腿加速度计系统动态响应、稳定性和灵敏度对支撑梁刚度的要求,设计并优化了一种梯形变截面梁,满足加速度计的不同方向刚度要求。建立加速度计的动力学模型,得到系统动态响应性能参数与梁刚度关系;建立梯形变截面梁纯弯曲的数学模型,推导出梯形变截面梁刚度和尺寸关系;分析强度对尺寸要求;通过对加速度计系统稳定性和灵敏度分析,对梁结构提出了要求。在非检测方向同等刚度条件下,梯形变截面梁与等截面梁相比,危险截面处应力相当而检测方向刚度减小,系统灵敏度提高,提高系统动态输出特性,质量大幅减轻。     

基于绝对节点坐标法的介电弹性体驱动柔性双层板结构动力学模型

基于绝对节点坐标法,引入介电弹性体本构方程,提出了一种以介电弹性体为驱动板、柔性材料为从动板的新型柔性双层板结构动力学模型,利用数值仿真研究了不同材料参数和激励电压对复合结构动力学特性的影响,对软体机器人驱动器选择和设计提供一定参考。仿真结果表明,复合双层板单元结构在一定大小的驱动电压的激励下会产生周期性变形,在各个方向的运动周期与驱动电压无关,保持复合单元的材料参数不变,其末端最大位移与驱动电压呈近似线性正相关;相同电压激励下,弹性模量越高的复合单元末端运动的周期越小,最大位移也越小,其结构的刚度和稳定性越强。当驱动电压过高,从动板单元材料超弹性系数过小时,复合单元柔性过大,末端运动出现将失稳现象。     

基于十四面体模型的开孔泡沫材料弹性模量的有限元分析

利用十四面体模型描述开孔泡沫材料的胞体结构，并用有限元方法确定开孔泡沫材料的弹性模量。计算中使用相同尺寸的十四面体胞体模型，并考虑两种不同支柱截面（圆截面和Plateau截面）形状对弹性模量计算的影响。此外，通过数值方法研究开孔泡沫材料的弹性模量随模型尺寸的变化规律。同时，讨论边界条件处理对开孔泡沫材料弹性模量计算的影响。结果表明，支柱为Plateau截面形状的模型，其弹性模量明显高十具有圆截面支柱模型的结果。且两种模型的弹性模量均随模型尺度的增加而增加，最终趋于一个稳定值，并与Warren和Kraynik的理论预测较为一致。此外，边界条件对模型刚度的影响随着模型尺度的增加而逐渐减小。     

车体刚度对集装箱平车动力学性能影响研究

为研究不同刚度车体结构对车辆系统动力学行为的影响,基于柔性多体系统动力学方法,通过有限元分析软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,对不同刚度车体集装箱平车的动力学性能进行分析。分析结果表明,有边梁结果车体整体刚度相对于无边梁结构得到提升,同时表现在车体的垂直弯曲振型和扭转弯曲变形上。车体的一阶和二阶垂直弯曲刚度分别对车辆中部和端部垂向振动特性影响较大,具体表现为随着垂直弯曲刚度增大,车辆的运行垂向平稳性趋于优化;对于车辆的曲线通过性能,车体垂直弯曲振型对曲线通过安全性指标没有明显影响,车体的扭转刚度对车辆的曲线通过安全性指标影响较大,具体表现为随着扭转刚度增大,车辆的曲线通过安全性趋于恶化。因此,在进行集装箱平车设计时,应采用柔性体模型引入其刚度特性,并根据使用及线路条件对于车体刚度进行折中设计。     

MEMS中梯形变截面梁优化设计

MEMS器件结构设计影响传感器的性能。为了提高加速度计系统稳定性,选用梯形变截面梁减小应力集中,同时将检测方向刚度和非检测方向刚度差值最大,减小交叉灵敏度并提高工作稳定性;为使系统动态特性达到最佳,选用合适的阻尼比ξ,计算出梁检测方向理论刚度。建立梯形变截面梁的力学模型,得到梯形变截面梁刚度方程,并给出了梁的强度。梯形等截面梁和梯形变截面梁同等刚度条件下,变截面梁质量稍微增加,但危险截面处应力大幅下降。     

摆线柔性铰链的设计计算与性能分析

提出了一类基于摆线方程切口的新型柔性铰链。利用变截面梁弯曲理论推导其转动刚度数学模型,根据微元法下的胡克定律叠加原理推导其拉伸刚度的数学模型,通过有限元验证了计算公式的正确性,讨论了结构参数对转动刚度的影响关系和显著程度,比较了新型柔性铰链与传统柔性铰链的性能。分析表明转动刚度与弹性模量、宽度和最小厚度成正比,而与拱高参数成反比,且对最小厚度的变化最敏感,新型柔性铰链的柔度仅次于椭圆型,相较于圆弧型和抛物线型柔铰对载荷的敏感程度平均提高了10%和30%以上,新型摆线柔铰为柔性铰链的设计选型提供了新思路。     

250 t高速动平衡机摆架的动刚度分析

高速动平衡机摆架的动力学性能直接影响动平衡试验的准确性及安全性。采用三维有限元法建立某公司250 t高速动平衡机摆架的计算模型,并对其动刚度进行计算分析,且与试验值进行比较。在此基础上计算4种主刚度杆改进方案下摆架的动刚度特性,分析主刚度杆的刚度对高速动平衡机摆架的动刚度曲线的影响。结果表明,计算所得摆架的动刚度曲线与实测值吻合较好,该计算模型接近实际情况。主刚度杆的结构尺寸及材料的弹性模量的增大均会使摆架的动刚度增大,适当地改变主刚度杆的结构尺寸及材料特性,可使高速动平衡机摆架满足大质量转子的高速动平衡试验要求。通过主刚度杆的改进并不能使摆架的动刚度随转速变化的曲线趋于平缓。     

3-RRS柔性并联机器人的动力学建模与频率特性分析

对3-RRS柔性并联机器人进行了动力学建模和频率特性分析,提出了一种空间柔性梁单元模型。基于有限元理论、运动弹性动力分析方法和Lagrange方程,建立了3-RRS柔性并联机器人的支链动力学模型,通过系统的运动协调关系将各支链组装在一起,得到系统的弹性动力学方程。在此基础上,通过仿真算例分析了系统固有频率与机构基本参量之间的关系。结果显示,系统固有频率与结构尺寸、截面参数和材料参量等之间都存在密切的联系。     

椭圆直梁复合型柔性铰链的刚度分析

提出了一种新型椭圆直梁复合型柔性铰链,以小变形悬臂梁和微积分的相关知识为基础,推导了其弯曲刚度和拉伸/压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。分析椭圆直梁复合型柔性铰链的结构参数对其刚度性能的影响,并与倒圆角直梁型柔性铰链进行比较,结果表明椭圆直梁复合型柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均优于倒圆角直梁型柔性铰链。     

新型双曲线直梁复合型柔性铰链刚度研究

提出一种新型双曲线直梁复合型柔性铰链,以卡氏第二定理和微积分的相关知识为基础,推导双曲线直梁复合型柔性铰链的弯曲刚度和拉伸或压缩刚度计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定、另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的刚度。将有限元解与所推导出的解析解进行比较,以验证所推导刚度公式的正确性。分析双曲线直梁复合型柔性铰链的结构参数对其刚度性能的影响,并与倒圆角直梁型柔性铰链进行比较,结果表明双曲线直梁复合型柔性铰链的转动能力、对载荷的敏感性均次于倒圆角直梁型柔性铰链。     

基于绝对节点坐标法的钢索结构动力学模型与特性

基于绝对节点坐标法并引入高阶位移插值函数,建立可描述钢索截面变形和旋转的钢索单元模型。考虑重力,计算轴向载荷下钢索结构变形及动态迟滞效应,采用准静态实验和动态载荷下的解析解验证了模型合理性。对不同载荷、结构参数及材料特性的钢索进行了准静态变形和动力学响应迟滞仿真分析。结果表明：轴向载荷下钢索结构的刚度主要受其直径影响,初始张力和钢索长度对变形的影响有限,动态响应迟滞时间由其自身长度及材料特性决定。相同条件下采用大直径钢索并适当增大初始张力,可在一定程度上增大钢索结构刚度,减小传动过程中的末端变形,改善长距离工况下钢索的传动性能。     

刚体—微梁系统的动力学特性

由于微尺度领域材料的力学性能存在尺度效应,使得微梁的动力学性态较传统的大尺寸柔性梁的动力学性态呈现明显的不同。对中心转动刚体、柔性微梁组成的刚体—微梁一类刚柔耦合系统的动力学特性进行研究。在柔性微梁变形位移中,计及横向位移引起轴向缩短的耦合变形量,采用偶应力理论(又称Cosserat理论)研究微梁动力学特性的尺度效应,由Hamilton原理推导出系统考虑尺度效应的刚柔耦合动力学方程。在此基础上,分析微梁固有频率对微尺度的依赖性,比较在不同转速下零次近似模型和一次近似模型振动频率的差异,从而确定在考虑尺度效应的微尺度下零次近似模型的适用范围,最后分析尺度效应和耦合变形量对微梁刚度的影响。研究表明,尺度效应提高微梁的固有频率,尺度效应对微梁刚度的影响是静态的,耦合变形量对微梁的刚度的影响与转速有关。     

基于新型梁单元模型的薄壁弯梁耐撞性优化

以矩形截面Z型薄壁弯梁为例,引入新型梁单元参数化模型建模方法,通过对薄壁梁进行碰撞分析提取了塑性铰的弯曲刚度特性曲线,将参数化后的弯曲刚度特性曲线赋予梁单元简化模型,实现了梁单元模型对壳单元模型的等效替代。在此基础上,应用均匀拉丁方试验设计方法,选取一定数量的参数样本点,建立了设计变量与弯曲刚度曲线参数之间的响应面近似模型,并采用连续二次规划的优化算法对梁单元模型进行了耐撞性优化。结果表明,采用新型梁单元简化模型代替详细的壳单元模型进行优化分析是可行的。     

表面损伤层对结构整体变形和刚度的影响研究

基于等效介质概念,对含表面微裂纹构件的力学特性进行了分析,给出了损伤层的定义,建立了含表面微裂纹的梁结构的等效双材料组合梁模型,推导了含损伤层梁的挠曲线微分方程,研究了损伤层对梁的弯曲变形的影响,给出了梁的挠度变化与损伤层厚度及等效弹性模量的关系,同时,分析了损伤层厚度及模量对梁的刚度的影响。分析计算结果表明:随损伤层厚度的增加,梁的挠度增大,刚度减小;随损伤层弹性模量的减小,梁的挠度增大,刚度减小;当损伤层厚度达到梁高的1/30以上时,损伤层对梁的弯曲变形和刚度影响较大,对机械加工的精度有较大影响。     

MEMS中变截面梁弯曲数学模型的建立

在MEMS结构中采用变截面梁来减小应力集中的影响。建立的变截面梁弯曲数学模型可为MEMS器件加工工艺提供理论依据。以增加空间利用率且保持最大转角和最大挠度不变为前提条件,分别构建了最大转角尺寸刚度Kφ和最大挠度尺寸刚度KW表达式;对比原设计参数的尺寸刚度,创建了梁长度和端面高度与尺寸刚度的关系式,从而为MEMS结构中梁的设计提供了理论支撑。     

液压挖掘机回转传动机构-工作装置的系统动态方程

以液压挖掘机回转传动机构一工作装置系统为研究对象,在考虑齿轮啮合时变刚度的情形下,建立回转传动机构的动力学模型;然后根据金属材料的特点,运用有限元法建立变截面梁单元的动力学模型;再在回转传动机构和金属材料变截面梁单元动力学模型的基础上,应用有限单元法建立液压挖掘机回转传动机构一工作装置系统的耦合动力学方程.所建方程较好体现了该系统动态性能与其结构参数和运动参数之间的内在关系,表达了以往方程未能反映的动态性能.最后通过实例进行对系统的动态特性进行仿真分析.     

基于解析弹性基础的重载轮胎动力学建模与分析

以重载大扁平比轮胎为研究对象,基于弹性基础的柔性胎体模型为基础,分别从大扁平比胎侧曲梁的刚度建模、基于解析弹性基础的轮胎动力学建模两方面开展研究。建立考虑预紧力弦效应和结构弯曲效应的大扁平比胎侧曲梁解析刚度模型,并研究胎侧曲梁非均匀截面特性和几何、结构参数对解析刚度的影响规律。结果表明：（1）重载轮胎在0～180 Hz范围以结构周向弯曲振动为主,与基于弹性基础的柔性梁模型一致;（2）大扁平比胎侧曲梁的解析刚度与胎侧的几何、结构和充气压力参数直接相关;（3）轮胎充气压力影响柔性胎体梁的轴向预紧力和胎侧的弦刚度,进而影响轮胎弯曲振动特性。     

四腿菱形变截面梁微加速度计结构设计与研究

在传统等截面双边四梁微加速度计结构上,以变极距式电容传感器为对象,设计一种菱形变截面梁。为增加梁的稳定性,满足加速度计对不同方向刚度要求,并提高灵敏度,建立加速度计数学理论模型,推导出灵敏度与刚度的关系。建立梁的纯弯曲模型,并基于静电驱动原理,推导出静电刚度公式,确定满足静电刚度小于机械刚度的条件下加速度计量程。结果显示,菱形变截面梁减小了梁的应力集中,使梁两方向的刚度最大化,提高了加速度计灵敏度。     

基于有限元和响应面法的U形弹簧结构参数分析

液压作动器内部密封件的蓄能性能是衡量其可靠性的关键,而U形弹簧作为蓄能密封圈的弹性元件,其压缩刚度和弹性压缩极限是决定其蓄能性能的主要因素。建立基于材料参数的U形弹簧弹塑性有限元模型,计算U形弹簧的压缩刚度、弹性压缩极限和线性压缩临界值,分析典型结构参数对蓄能特性的影响;基于响应面法构建多因素数学模型,比较各结构参数对弹簧压缩刚度和弹性压缩极限的影响程度;通过多次弹簧压缩试验验证了计算模型的准确性。结果表明：弹簧厚度、截面总长、开槽宽度、周期宽度和根部圆弧半径为压缩刚度的主要影响因素,其影响依次减小;弹簧厚度、截面总长和根部弧半径为弹性压缩极限的主要影响因素,其影响依次减小。重复压缩试验证明,弹簧屈服产生的塑性变形会随着压缩次数累加,导致弹簧开口宽度减小,导致密封圈动态密封性能降低;当蓄能密封圈用于动密封时其压缩量不宜超过弹性压缩极限。     

黏性流体环境中压电宏纤维致动柔性结构的流固耦合振动特性及试验

柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域。具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维（Macro fiber composite,MFC）致动器是水下柔性结构变形控制的首选。建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型。对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式。结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小。在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁。试验测试了MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性。